JP2004281706A

JP2004281706A - Method and apparatus for evaluating solar cell using LED

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Publication number: JP2004281706A
Application number: JP2003070871A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Kurokawa; 浩助黒川; Shogo Koraku; 省吾公楽
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: JP5256521B2

Abstract

【課題】太陽電池の出力特性を容易に行い得る、新規なＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法及びその評価装置を提供する。
【解決手段】多波長のＬＥＤ発光部２からの光を太陽電池４に照射し、多波長ＬＥＤ発光部２からの各波長毎の照射光強度（Ｗ）と各波長毎の太陽電池４の出力短絡電流（Ａ）とから、太陽電池の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を測定する。この太陽電池４の絶対分光感度のフィッティング計算から太陽電池４の絶対分光感度曲線を短時間で求めることができる。さらに、太陽電池４への基準太陽光照射時の出力短絡電流をも計算できる。これにより、太陽電池の評価を短時間で低コストで、また屋外の太陽電池の設置場所でも行うことができる。
【選択図】図１A method and apparatus for evaluating a solar cell using a novel LED, which can easily perform output characteristics of the solar cell.
A solar cell (4) is irradiated with light of a multi-wavelength LED light emitting unit (2), and the irradiation light intensity (W) of each wavelength from the multi-wavelength LED light emitting unit (2) and the output of the solar cell (4) for each wavelength. From the short circuit current (A), the absolute spectral sensitivity (A / W) of the solar cell is measured. From the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity of the solar cell 4, the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell 4 can be obtained in a short time. Further, the output short-circuit current when the solar cell 4 is irradiated with the reference sunlight can be calculated. Thus, the evaluation of the solar cell can be performed in a short time and at low cost, and can be performed at an outdoor solar cell installation site.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法及びその評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境を保全するために太陽エネルギーの利用が進み、一般のビルや家庭の屋根や壁にも太陽電池を複数接続した太陽電池モジュールからなる太陽電池パネルの敷設が進みつつある。しかしながら、Ｓｉ（シリコン）等からなる太陽電池は、高コストのために思うように普及できていない。太陽電池が高コストである原因の一つに、太陽電池の太陽光照射の際の出力特性の検査工程がある。この太陽電池の出力特性評価は、太陽電池の製造後の検査や太陽電池の研究開発において行われる重要な測定項目である。
太陽電池への太陽光照射は天候により強度が変動することなどにより随時使用することが困難である。そのために、太陽光の替わりに、主にＸｅ（キセノン）ランプやハロゲンランプを使用した光源、所謂、ソーラシミュレータが太陽電池の出力特性評価用の光源として用いられている（特許文献１参照）。ここで、ソーラシミュレータは、通常のキセノンランプに加えてハロゲンランプを長波長用の光源として追加することで、キセノンランプの輝線スペクトルを抑えると共に、さらに光学フィルタを使用することで自然太陽光に近似な光源としている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４８７０４号公報（第２−３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＪＩＳ規格において等級Ａを満たすソーラシミュレータは数少なく、多くの太陽電池の製品検査においては、等級Ａのソーラシミュレータによって一次校正された太陽電池（一次基準太陽電池）などを用いて比較測定を行うことにより、太陽光照射と等価な測定であるとしている。実際には、一次基準太陽電池によって校正された二次基準太陽電池を用いる場合が多いために、その測定誤差が大きくなり正確な測定が困難であるという課題がある。
また、ソーラシミュレータを用いた太陽電池の出力特性評価は、基準太陽光とのスペクトル不一致の問題や、大型の設備であること、ランプの寿命が短く消費電力も大きいという課題がある。
また、太陽電池の受光可能な波長領域における絶対分光感度曲線を測定する場合には、ソーラシミュレータの光を分光器で分光して受光範囲の波長全域の各波長毎の絶対分光感度を得ることにより測定を行っている。この際、ソーラシミュレータの分光された波長の出力は低下するので、雑音が大きいために、ロックインアンプを用いて太陽電池の出力短絡電流を測定している。このため、太陽電池の絶対分光感度曲線を測定する測定器自体が高額であることと、測定に時間がかかることなどから、太陽電池の製造コストのうちの検査に要するコストが低下しないという課題がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、太陽電池の出力特性の評価を容易に行い得る、新規なＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法及びその評価装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法は、多波長のＬＥＤ発光部からの光を太陽電池に照射し、多波長ＬＥＤ発光部からの各波長毎の照射光強度（Ｗ）と各波長毎の太陽電池の出力短絡電流（Ａ）とから、太陽電池の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を測定することを特徴とする。
上記構成において、多波長のＬＥＤ発光部の白色以外のＬＥＤ光の１色毎に、変調をかけて、太陽電池の出力短絡電流を得るように測定することができる。
また、太陽電池の多波長における絶対分光感度から、太陽電池の電流を与える計算式のフィッティング計算を行うことにより、太陽電池の絶対分光感度曲線を得るようにしてもよい。
本発明は、好ましくは、太陽電池の絶対分光感度曲線のフィッティング計算のパラメータとして、太陽電池の表面反射率、表面再結合速度、少数キャリアの拡散長を含む。
本発明は、好ましくは、太陽電池の絶対分光感度曲線のフィッティング計算のパラメータとして、さらに、太陽電池の出力短絡電流に対する表面再結合速度と少数キャリアの拡散長との偏微分導関数を含む。
また、太陽電池の表面反射率と表面再結合速度と少数キャリアの拡散長のそれぞれに影響が大きい波長を、多波長のＬＥＤ光として含んでいてもよい。
本発明は、好ましくは、太陽電池の絶対分光感度曲線から、基準太陽光照射時の出力短絡電流の計算を行う。
本発明は、好ましくは、太陽電池が、結晶またはアモルファス結晶を用いた太陽電池であり、結晶またはアモルファス結晶が、Ｓｉまたは化合物半導体からなっている。
【０００７】
この構成によれば、多波長のＬＥＤ光を太陽電池に照射し、多波長ＬＥＤの各波長毎の照射光強度（Ｗ）と各波長毎の太陽電池の出力短絡電流（Ａ）とから、太陽電池の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を測定できる。
また、太陽電池の絶対分光感度を用い、フィッティング計算を行うことにより、太陽電池の絶対分光感度曲線を短時間で精度良く得ることができる。
さらに、太陽電池の絶対分光感度曲線から、基準太陽光照射時の出力短絡電流の計算を行うことができる。
【０００８】
本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置は、多波長のＬＥＤ発光部と、多波長のＬＥＤ発光部の駆動部と、太陽電池を載置するサンプルホルダと、ＬＥＤの駆動電流から太陽電池への照射強度（Ｗ）と、太陽電池の出力短絡電流（Ａ）とから絶対分光感度を測定する信号処理部と、からなることを特徴とする。
上記構成において、駆動部は、多波長のＬＥＤ発光部の白色以外のＬＥＤ光の各色毎に、太陽電池の出力短絡電流が測定できるように信号処理部により制御されればよい。上記駆動部は、多波長のＬＥＤ発光部の白色以外のＬＥＤ光の各色毎に変調信号が印加されるように、信号処理部により制御することができる。
上記構成において、信号処理部は、好ましくは、コンピュータを具備し、コンピュータが多波長のＬＥＤ発光部の駆動部を制御する一方、コンピュータが、太陽電池の出力短絡電流を測定し、絶対分光感度、絶対分光感度曲線、基準太陽光照射時の出力短絡電流の何れかを自動的に計算する。多波長のＬＥＤ発光部は、正多角形の各頂点に各色のＬＥＤが配置されるブロックから成り、ブロックが複数配設されて所定の形状に構成されていればよい。
【０００９】
上記構成によれば、複数のＬＥＤ光照射により太陽電池の出力短絡電流を測定し、太陽電池の絶対分光感度と絶対分光感度曲線と太陽電池の絶対分光感度曲線などを短時間で測定することができる。これにより、従来測定時間とコストがかかった太陽電池の絶対分光感度などの諸測定を、短時間で、かつ、低コストで行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに、本発明の第１の実施の形態であるＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法を説明する。
図１は、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において用いる測定系の概略構成を示す図である。図１に示すように、ＬＥＤ発光部２により、測定する太陽電池４へ光照射が行われる。ここで、ＬＥＤ発光部２は、太陽光に含まれる波長の内の複数の波長、即ち、複数色を有する複数のＬＥＤを有し、太陽電池４に所定の距離で対向し、照度むらのないように配置されている。ここで、太陽電池４は、単位太陽電池を複数接続した太陽電池モジュールでもよい。
【００１１】
図２は、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、図１の測定系を用いて太陽電池の絶対分光感度測定と、その測定から絶対分光感度曲線を得るための手順を示すフロー図である。
先ず、ステップＳＴ１において、複数色を有する複数のＬＥＤを各色毎に発光させて、太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣ（Ａ）を測定する。このときの太陽電池表面における各ＬＥＤの照度、即ち、照射電力（Ｗ）を予め測定しておけば、太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣと各色ＬＥＤの照度の比から、ＬＥＤ各色毎の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）が得られる。
ここで、ＬＥＤ発光部からの照射光は、基準太陽光と異なり離散的な輝線スペクトルの照射であるので、太陽光に近似させるためにＬＥＤの発光色は複数用いる。これらのＬＥＤの発光色は、例えば、青（短波長帯）、赤（中波長帯）、赤外（長波長帯）、白（広波長帯）を用いることができる。
また、ＬＥＤからの各色の発光は、後述するように、白色を除いたある１色毎に変調をかけておき、他のＬＥＤは発光させた状態、即ち、バイアス光として照射することで、白色を除く各色毎の絶対分光感度を測定してもよい。
【００１２】
次に、ステップＳＴ２において、上記各色ＬＥＤの絶対分光感度の値から、後述するフィッティング計算により太陽電池の絶対分光感度曲線を求める。
このようにして、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、太陽電池の絶対分光感度曲線を得ることができる。
【００１３】
次に、ステップＳＴ１における絶対分光感度の測定について詳しく説明する。
図３は、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の図２に示した評価方法において、ステップＳＴ１で、太陽電池に照射するＬＥＤ毎の絶対分光感度を測定するための手順を示すフロー図である。
ここで、ＬＥＤの発光色は、例えば、赤外、赤、青、白の４色を含む複数のｎ色であるとして説明する。
先ず、ステップＳＴ１０において、ＬＥＤ発光部の各色のＬＥＤの全てを発光させ、ステップＳＴ１１において、白色を除く任意の一色のＬＥＤに振幅変調（ＡＭ変調）をかけ、この変調信号による太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣ（Ａ）を測定する。ここで、全ＬＥＤの発光のうち、変調光以外はバイアス光として太陽電池を稼動状態にするために照射している。
次に、ステップＳＴ１２において、白色を除く任意の一色のＬＥＤの太陽電池への照射電力（Ｗ）に対する太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣ（Ａ）から、この照射波長の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を計算する。
【００１４】
次に、ステップＳＴ１３では、発光色の白色を除く（ｎ−１）色の全ての変調信号が測定されたか否かを判定する。そして、ステップＳＴ１３において、（ｎ−１）色が測定されていないと判定したときには、ステップＳＴ１１に戻り、白色以外の各色の測定を続け、それぞれの照射波長の絶対分光感度を計算する。
【００１５】
これに対して、ステップＳＴ１３において、白色を除く（ｎ−１）色の全ての変調信号が測定されたと判定したときには、ステップＳＴ１４において、各色の絶対分光感度測定が終了する。
このようにして、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、ＬＥＤ照射の複数の異なる色、即ち複数波長において、白色を除く各色毎に変調をかけて測定することで、太陽電池の絶対分光感度を感度よく、高精度に測定することができる。
【００１６】
次に、上記の測定によって得られる離散的な絶対分光感度に基づいて、絶対分光感度曲線を得る方法について説明する。
ここで、被測定太陽電池は、ｐｉｎ構造を有していて受光面がｎ層であるとして説明する。
太陽電池の分光感度の理論式は、下記の式（１）〜式（３）に示す半導体の少数キャリア連続の方程式より導出したモデル式を用いた（小長井誠著「半導体物性」、１９９２年、倍風館、ｐｐ．２３９〜２４１、参照）。
【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【００１７】
式（１）のＩ_ｈ、式（２）のＩ_ｄｒ、式（３）のＩ_ｅは、それぞれ、ｎ層の正孔電流、空乏中の電流、ｐ層の電子電流を示している。これらの式（１）〜式（３）の合計が、太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの式（４）となる。
上記式において、αは吸収係数であり、Ｒは表面反射率であり、Ｌ_ｈ，Ｌ_ｅとＳ_ｈ，Ｓ_ｅと、Ｄ_ｈ，Ｄ_ｅは、それぞれ、少数キャリアの拡散長、表面再結合速度、少数キャリアの拡散定数である。
ここで、添え字の_ｈと_ｅは、それぞれ、ｎ層中における正孔とｐ層中の電子を示す。また、ｘ_ｊ、Ｗ、Ｈ、Ｈ’は、それぞれ、空乏層の端、空乏層の厚さ、空乏層末端の寸法である。
【００１８】
図４は、結晶Ｓｉを用いた太陽電池の変数（パラメータ）と、値域、単位、分類を示す表である。分光感度曲線への影響の度合いによりパラメータをＡ群、Ｂ群に分類しており、値域は、結晶系Ｓｉの一般的な値を用いた（Ｈ．Ｊ．Ｈｏｖｅｌ著”ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓＡｎｄＳｅｍｉ−ＭｅｔａｌｓＶｏｌ．１１ ”，１９７５，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，ｐ．２６参照）。
パラメータＡ群は材料に関する定数であり、太陽電池の種類によって固有の値とし、Ｂ群は同種セル内での個体差に依存する変数とした。Ａ群のうち吸収係数αは波長依存の値であり、短波長ほど吸収されやすいことを示す。
また、入射フォトン数Ｉ_０について、光子一個の持つエネルギーは、Ｅ（ｅＶ）＝１２３９．５／λ（ｎｍ）によって表されるため、波長が長くなるほど光子の持つエネルギーは少なくなることがわかる。これら二つのパラメータが波長に依存した関数であり、分光感度の波形を特徴づける部分である。
【００１９】
パラメータＢとして、入射フォトン数を決める表面反射率Ｒと、ｎ層における表面再結合速度Ｓ_ｈと、ｐ層における少数キャリア拡散長Ｌ_ｅとが出力短絡電流Ｉ_ＳＣに与える影響を図５〜図７に示す。図の縦軸は絶対分光感度、横軸は波長であり、このデータが絶対分光感度曲線を示す。図中の矢印で示すように、各変数、即ち、パラメータは依存性の高い波長帯を有している。
ここで、図５〜図７に示すように、太陽電池の短波長側と長波長側の出力短絡電流Ｉ_ＳＣは、それぞれ太陽電池の表面再結合速度Ｓ_ｈと少数キャリア拡散長Ｌ_ｅに大きく影響、即ち依存する。そして、絶対分光感度曲線の全体は、太陽電池の表面反射率Ｒに依存するので、分光感度の中心となる波長帯を用いてその依存性を調べるとよい。この際、短波長、長波長、分光感度の中心となる波長に適合するＬＥＤの発光色は、それぞれ、紫〜青、赤外、赤を使用できる。白色光はバイアス光として使用することができる。
これから、上記式（１）においては表面再結合速度Ｓ_ｈを、上記式（３）においては少数キャリア拡散長Ｌ_ｅをパラメータとし、Ｒをも用いて、実測より得られた絶対分光感度と一致するようにフィッティングをさせ、絶対分光感度曲線のフィッティング計算を行うことができる。
【００２０】
図８は、ＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、離散的な絶対分光感度から、太陽電池の絶対分光感度曲線を求めるフィッティング計算の方法を示すフロー図である。
先ず、ステップＳＴ２０において、Ｒ、Ｓ_ｈ、Ｌ_ｅの初期値として理想的なパラメータを入力し、理想的な絶対分光感度曲線を計算する。ここで、絶対分光感度曲線の全体は、太陽電池の表面反射率Ｒに依存するので、分光感度の中心となる波長帯を用いてその依存性を計算してもよい。
次に、ステップＳＴ２１において、この理想的な絶対分光感度曲線が測定により得られた離散的な絶対分光感度と比較して許容範囲内の誤差に収まっているか否かを判定する。そして、ステップＳＴ２１において、得られた絶対分光感度曲線が妥当でないと判定したときには、ステップＳＴ２０に戻り再度計算を行う。この際、図３のパラーメータのうち、Ａについても見直しをしてもよい。
【００２１】
これに対して、ステップＳ２１において、初期計算が妥当であると判定したときには、ステップＳＴ２２に進む。ここでは、被測定太陽電池の表面再結合速度Ｓ_ｈに影響を与える短波長側を含む測定波長における、太陽電池のＬＥＤを用いた絶対分光感度のデータを使用して、最小二乗法によりフィッティング計算を行う。これにより、Ｓ_ｈのおおまかな近似値と、初期値から修正されたＲ_，Ｌｅが得られる。
【００２２】
つぎに、ステップＳＴ２３において、被測定太陽電池の小数キャリアの拡散長Ｌ_ｅに影響を与える長波長側を含む測定波長における、太陽電池のＬＥＤを用いた絶対分光感度のデータを使用して、最小二乗法によりフィッティング計算を行う。これにより、Ｌ_ｅのおおまかな近似値と、初期値から修正されたＲ_，Ｓ_ｈが得られる。
上記のステップＳＴ２２とステップＳＴ２３において、初期値から修正されたＲ_，Ｓ_ｈ，Ｌ_ｅと、おおまかな絶対分光感度曲線を得ることができる。
【００２３】
次に、ステップＳＴ２４において、上記ＳＴ２２とＳＴ２３で求めたＲ、Ｓ_ｈ、Ｌ_ｅを使用して、非線形最小二乗法により最適な値を求め、絶対分光感度曲線のフィッティング計算を行う。この際、非線形最小二乗法における計算は、特にＳ_ｈが指数関数的に変化することで収束性が悪くなりやすい。このために、式（１）と式（３）のＩ_ｈ及びＬ_ｅに関する偏微分導関数（∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈ、∂Ｉ_ｅ／∂Ｌ_ｅ）を使用すれば、収束性良くフィッティング計算を行うことができる。なお、Ｒは、式（１）〜式（３）の光電流の式における比例係数であり、偏微分導関数は１であるので、偏微分導関数を用いたフィッティング計算は省略することができる。
【００２４】
続いて、ステップＳＴ２５において、得られた絶対分光感度曲線が妥当であるか否かを判定する。そして、ステップＳＴ２５において、得られた絶対分光感度曲線が妥当でないと判定したときには、ステップＳＴ２２に戻り、再度計算を行う。
【００２５】
これに対して、ステップＳ２５において、フィッティング計算が妥当であると判定したときには、ステップＳＴ２６において、被測定太陽電池の絶対分光感度曲線が得られる。フィッティング計算の判定においては、別途、太陽光シミュレータを用いた絶対分光感度曲線測定装置で測定した被測定太陽電池の絶対分光感度曲線が、校正データとして使用できる。
【００２６】
このようにして、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、ＬＥＤ照射の複数の異なる色、即ち複数波長における太陽電池の絶対分光感度の測定値を使用して、光電流のモデル式にフィッティング計算を行わせることによって被測定太陽電池の絶対分光感度曲線を得ることができる。
なお、太陽電池の光電流はＳｉのｐｉｎ構造で説明したが、他の化合物半導体を用いた太陽電池や他の構造の太陽電池においても、それらの適切なモデル式により絶対分光感度曲線を求めるフィッティング計算を行うことができる。フィッティング計算を行う際のパラメータは、Ｒ，Ｓ_ｈ，Ｌ_ｅの場合を示したが、Ｓ_ｅやＬ_ｐ等をも付け加えてもよい。
【００２７】
次に、太陽電池の絶対分光感度曲線から基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣを求める計算方法について説明する。
図９は、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、太陽電池の絶対分光感度曲線から、基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣを求める計算のフロー図である。図において、図８で説明したと同様に、ステップＳＴ２０からステップＳＴ２４において、太陽電池の絶対分光感度曲線を求める計算が行われ、ステップＳＴ３０において、基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算を行うか否かを入力する。
そして、ステップＳＴ３０において、基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算をしない場合には、ステップＳＴ２５で終了する。これに対して、ステップＳ３０において、基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算を行うと入力した場合には、ステップＳＴ３１において、被測定太陽電池の基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算を行う。
【００２８】
この際、被測定太陽電池の基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣは、下記式（５）に示すように、被測定太陽電池の絶対分光感度曲線と、基準太陽光分光放射強度曲線の積を波長領域で積分計算することにより得られる。
【数５】

ここで、Ｑ（λ）（Ａ／Ｗｎｍ）、Ｅ_Ｒｅｆ（λ）（Ｗ／ｍ^２ｎｍ）、λ（ｎｍ）、Ａ（ｍ^２）は、それぞれ、被測定太陽電池の絶対分光感度曲線、基準太陽光分光放射強度曲線、波長、被測定太陽電池の面積である。
このようにして、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、ＬＥＤ照射の複数の異なる色、即ち複数波長において測定した太陽電池の絶対分光感度から絶対分光感度曲線を得て、さらに、基準太陽光照射時の被測定太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算を短時間で得ることができる。
【００２９】
次に、上記で説明した本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法による絶対分光感度曲線の計算例について説明する。
（計算例１）
図１０は、計算に使用したＳｉ結晶（ｃ−Ｓｉ）からなる太陽電池の相対分光感度曲線である。図において縦軸が相対分光感度であり、横軸が波長（ｎｍ）である。図示するように、波長として４００ｎｍから１１００ｎｍの複数の波長において分光感度を測定したものである。計算する際に、相対分光感度曲線は、絶対分光感度曲線に変換した。
【００３０】
図１１は、図１０のＳｉ太陽電池のデータから、計算により求めた絶対分光感度曲線である。図において縦軸が絶対分光感度（Ａ／Ｗ）であり、横軸が波長（ｎｍ）である。ＬＥＤによる絶対分光感度を青（４６０ｎｍ）、緑（５７０ｎｍ）及び２波長の赤外（８００ｎｍと１０００ｎｍ）で測定（図中＋印）したものとして、この４点の絶対分光感度から絶対分光感度曲線（太線部分）のフィッティング計算を行った結果である。
これにより、４波長の絶対分光感度より、絶対分光感度曲線が精度良くフィッティング計算できることが分かる。
【００３１】
（計算例２）
図１２は、計算に使用した結晶系Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）からなる太陽電池の相対分光感度曲線である。図において、左縦軸は相対分光感度、横軸は波長（ｎｍ）を示す。計算する際に、相対分光感度曲線は、絶対分光感度曲線に変換した。
図１３は、図１２のａ−Ｓｉ太陽電池のデータから、計算により求めた絶対分光感度曲線である。図において縦軸が絶対分光感度（Ａ／Ｗ）、横軸が波長（ｎｍ）である。ＬＥＤによる絶対分光感度を図１１と同一波長で測定（図中＋印）したものとして、この４波長における絶対分光感度から絶対分光感度曲線（太線部分）のフィッティング計算を行った結果である。
これにより、４波長の絶対分光感度より、絶対分光感度曲線が精度良くフィッティング計算できることが分かる。
【００３２】
（計算例３）
次に、ＬＥＤの照射発光波長の影響を考慮した計算結果を説明する。
被測定太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣから絶対分光感度曲線をフィッティング計算する場合は、偏微分導関数（∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈ、∂Ｉ_ｅ／∂Ｌ_ｅ）を用いたフィッティング計算を行なうと、その計算の収束が速くなる。このとき、これらの偏微分導関数は、さらに照射波長により大きく変化する。
図１４と図１５はそれぞれ、偏微分導関数∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈと∂Ｉ_ｅ／∂Ｌ_ｅのそれらの大きさＳ_ｈとＬ_ｅと波長依存性を計算した図である。図１４に示すように、∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈは、波長λ＝３５０ｎｍ付近において大きくなる。これから、太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣにおける表面再結合速度の影響の大きい短波長側の波長としては、３５０ｎｍ近辺の波長を有するＬＥＤを使用することが好ましいことが分かる。また、図１５に示すように、∂Ｉ_ｈ／∂Ｌ_ｅは、波長λ＝８００ｎｍ付近において大きくなる。これから、太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣにおける少数キャリア拡散長の影響の大きい長波長側の波長としては、８００ｎｍ近辺の波長を有するＬＥＤを使用することが好ましいことが分かる。
【００３３】
上記の波長依存性により、ＬＥＤの波長として、３５０ｎｍ（紫）、４６０ｎｍ（青）、６４０ｎｍ（橙）、８００ｎｍ（赤外）の４波長を用いて、図１２のｃ−Ｓｉ太陽電池の相対分光感度曲線のデータから、絶対分光感度曲線を求めるフィッティング計算を行った。
図１６は、図１２のｃ−Ｓｉ太陽電池のデータを用いて、波長を最適化した４波長の絶対分光感度の値から、計算により求めた絶対分光感度曲線のグラフである。図において縦軸が絶対分光感度（Ａ／Ｗ）であり、横軸が波長（ｎｍ）である。
ＬＥＤによる絶対分光感度を上記の波長で測定（図中＋印）したものとして、この４波長における絶対分光感度から絶対分光感度曲線（太線部分）のフィッティング計算を行った結果である。図から、実測値とフィッティング計算が良くあっていることが分かる。
これにより、Ｓｉ太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣへのＬ_ｅとＳ_ｈによる影響が大きい長波長側と短波長側の波長において、偏微分導関数∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈと∂Ｉ_ｅ／∂Ｌ_ｅが大きくなる波長を少なくとも含む多波長で絶対分光感度を得れば、絶対分光感度曲線のフィッティング計算をさらに収束性良く得ることができる。
【００３４】
次に、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置に係る第２の実施の形態を示す。
図１７は、本発明に係る第２の実施の形態によるＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置の構成を模式的に示すブロック図である。ＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置１は、ＬＥＤ発光部２と、ＬＥＤ駆動部３と、測定する太陽電池４を載置するサンプルホルダ９と、信号処理部５と、から構成されている。ＬＥＤ発光部２は、太陽光に含まれる波長の内の複数の波長、即ち、複数色を有する複数のＬＥＤを有し、被測定太陽電池４に所定の距離で対向するように配置されている。
【００３５】
ＬＥＤ駆動部３は、信号処理部５により制御されて、上記ＬＥＤ発光部２の各色毎のＬＥＤに発光に必要な電圧と電流を供給し、必要に応じて変調信号を重畳して印加できる。ここで、ＬＥＤに供給する電圧と電流（以下、単に駆動電流と呼ぶ）は、直流またはパルスでよい。また、変調方式は、ＡＭ変調やパルス変調などが使用できる。ＬＥＤ駆動部３は、上記ＬＥＤ発光部２の各色毎のＬＥＤの駆動電流を信号処理部５に出力信号６として出力する。ここで、予め、上記ＬＥＤ発光部２の各色毎のＬＥＤの駆動電流と、被測定太陽電池４への照射電力（Ｗ）の関係、所謂、ＩＬ特性が測定されることにより、ＬＥＤの駆動電流値から太陽電池への照射電力が分かる。
【００３６】
被測定太陽電池４にＬＥＤ発光部２から被測定太陽電池４へＬＥＤ光が照射されると、被測定太陽電池４に短絡電流Ｉ_ＳＣが発生し、評価装置用コンピュータに短絡電流信号７として出力される。
【００３７】
信号処理部５は、パーソナルコンピュータなどのコンピュータと、ＬＥＤ駆動部３からの出力信号６と被測定太陽電池４に発生する短絡電流信号７からの直流電流や変調信号を復調して電流値に変換するインターフェース回路８などから構成されている。
【００３８】
図１８は、太陽電池の評価装置１における絶対分光感度の測定を行うときの動作を示すタイムチャートである。図１８のタイムチャートは、図１７で説明したＬＥＤ発光部が白色を含む４色からなる場合である。横軸は時間軸ｔであり、縦軸はＬＥＤ発光部の各色ＬＥＤの駆動電流と、被測定太陽電池の出力短絡電流である。図１８（ａ）〜（ｄ）はＬＥＤ１からＬＥＤ４の駆動電流であり、ＬＥＤ４が白色である。（ｅ）は被測定太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣである。
図１８のｔ１の時間に示すように、（ａ）に示すＬＥＤ１には、ＡＭ変調を印加して、それ以外の（ｂ）〜（ｃ）に示すＬＥＤ２〜ＬＥＤ４は直流電流で駆動している。このとき、被測定太陽電池の出力短絡電流は、点線より上部がＬＥＤ１のＡＭ変調を復調した出力短絡電流成分であり、点線より下部が、ＬＥＤ２〜ＬＥＤ４による出力短絡電流成分である。
このように、ＬＥＤの白色を除く各色に変調をかけて測定することで、太陽電池の出力短絡電流を感度よく、かつ、高速に測定できる。
【００３９】
この際、信号処理部５は、予めメモリに記憶させたＬＥＤ１の駆動電流と照射電力強度と、ＬＥＤ１のＡＭ変調による太陽電池の出力短絡電流成分から、ＬＥＤ１の波長における太陽電池の絶対分光感度を計算して、信号処理部のメモリに保存すると共に、ディスプレー装置やプリンタに出力する。
同様にして、ＬＥＤ１の波長の絶対分光感度を得た後で、ｔｓの時間の経過後のｔ２で（ｂ）のＬＥＤ２にＡＭ変調を印加して、それ以外の（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示すＬＥＤ１、ＬＥＤ３、ＬＥＤ４は直流電流で駆動し、そのときの被測定太陽電池の出力短絡電流におけるＬＥＤ２の出力短絡電流から、ＬＥＤ２の波長における太陽電池の絶対分光感度が得られる。さらに、ｔ３の時間において、ＬＥＤ３の波長における太陽電池の絶対分光感度が測定される。
【００４０】
次に、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法による、絶対分光感度曲線を求めるプログラムが信号処理部において実行されることにより、上記測定で得られた絶対分光感度から、被測定太陽電池の絶対分光感度曲線がフィッティング計算される。
さらに、この得られた絶対分光感度曲線と、ＩＥＣによる基準太陽光放射照度分布との積の波長に関しての積分計算が、信号処理部において実行されることにより、被測定太陽電池の基準太陽光放射による絶対分光感度曲線が計算される。ここで、被測定太陽電池の各パラメータと、予め太陽光シミュレータにより測定した校正用の絶対分光感度曲線や、ＩＥＣによる基準太陽光放射照度分布（ＩＥＣ９０４−３_，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｆｏｒｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）Ｓｏｌａｒｄｅｖｉｃｅｓｗｉｔｈｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒａｌｉｒｒａｄｉａｎｃｅｄａｔａ”参照）は、予めメモリに記憶させておけばよい。
【００４１】
次にＬＥＤ発光部は、被測定太陽電池に照度むらのない均一な光照射を行う必要があるので、その構成についてさらに詳しく説明する。
図１９はＬＥＤを４色使用したときのＬＥＤ発光部のＬＥＤの配置を模式的に示す平面図である。図１９に示すＬＥＤ発光部２において、図中の点線部で示す一辺がＬ１の正四角形のブロック２ａが複数配置されて構成されている（この配置を、正方配置と呼ぶ）。ＬＥＤ発光部２の外形は一辺がＬ２の正方形である。ここで、ブロック２ａの各頂点に４色のＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが配設されている。
【００４２】
図２０はＬＥＤを６色使用したときのＬＥＤ発光部のＬＥＤの配置を模式的に示す平面図である。図２０に示すＬＥＤ発光部２において、図中の点線部で示す一辺がＬ３の正六角形のブロック２ｂが複数配置されて構成されている。ＬＥＤ発光部２の外形は、一辺がＬ４の正方形である。ここで、ブロック２ｂの各頂点に６色のＬＥＤ１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、、１１ｉ、１１ｊが配設されている。
【００４３】
上記の例では、ＬＥＤのブロックを正四角形と正六角形の場合を示したが、ＬＥＤのブロックは各色の配置を均一にするために正多角形としてもよい。また、ＬＥＤの色は、赤外、赤、橙、黄、緑、青、紫、白などを使用できる。この際、ＬＥＤは、点光源として近似できるので、被測定太陽電池の表面の照度は、ＬＥＤ発光部との距離の二乗に逆比例して変化することと、配光曲線の半値幅角度（前方方向の光強度が中心軸に対して半分の電力となる角度）を考慮して、上記ＬＥＤ発光部２の各寸法Ｌ１〜Ｌ４を決めればよい。例えば、ＬＥＤは半値幅を与える角度の比較的広い、広指向角のチップ型ＬＥＤなどを使用すればよい。このように配置することにより、各色ＬＥＤの個数は同じで、かつ、等間隔に配置されるので、被測定太陽電池への照射光強度を均一とすることができる。
【００４４】
図２１〜図２３は、図１９及び図２０のＬＥＤ発光部による被測定太陽電池への照度むらを計算した結果を示す表と図である。
図２１は、ＬＥＤ発光部２の外形寸法と１色当たりの使用ＬＥＤ数を示す表である。図２１に示すように、ＬＥＤ発光部２の外形の正方形の一辺を１３０ｍｍ〜１７０ｍｍまで１０ｍｍ間隔で変化させときに、正方配置における一色当たりの使用ＬＥＤ数は、２８９個〜４８４個となる。また、六角配置における一色当たりの使用ＬＥＤ数は、１３３個〜２４３個となる。ここで、各ＬＥＤの配置間隔であるＬ１とＬ３は、４ｍｍである。
【００４５】
図２２及び図２３は、それぞれ、正方配置と六角配置におけるＬＥＤ発光部の被測定素子への照度むらを計算した結果を示す図である。図において、縦軸は照度むら（％）で、横軸はＬＥＤ発光部と被測定素子との距離、即ち、照射高さ（ｍｍ）である。ここで、照射むらは、ＬＥＤを点光源で近似し、照度が点光源からの距離の二乗に逆比例し、指向角が１２０°として計算した。また、被測定素子への照射面積は、１００ｍｍ×１００ｍｍとした。
図２２に示す正方配置の場合において、照射高さが１１ｍｍ〜１７ｍｍで、ＬＥＤ発光部の面積が１５０ｍｍ×１５０ｍｍから１７０ｍｍ×１７０ｍｍと大きくなるにつれて照度むらが小さくなる。また、照度むらの最小値が得られる照射高さは、ＬＥＤ発光部の面積により変化する。ＬＥＤ発光部の面積が１６０ｍｍ×１６０ｍｍと１７０ｍｍ×１７０ｍｍの場合には、照度むらは、５％以下となることがわかる。
【００４６】
図２３に示す六角配置の場合において、ＬＥＤ発光部の面積が１５０ｍｍ×１５０ｍｍから１７０ｍｍ×１７０ｍｍと大きくなるにつれて照度むらが小さくなるが、照度むらの最小値が得られる照射高さは、図２３で示した正方配置よりも低い８ｍｍ〜１２ｍｍとなることが分かる。ＬＥＤ発光部の面積が１５０ｍｍ×１５０ｍｍと１６０ｍｍ×１６０ｍｍの場合には、照度むらは、５％以下となることがわかる。
【００４７】
上記のＬＥＤ発光部の照射強度は、連続動作で約１０ｍＷ／ｃｍ^２、パルス動作で約１００ｍＷ／ｃｍ^２である。このように、ＬＥＤ発光部は、被測定素子への照射面積に対して、適当なＬＥＤ発光部の面積と照射高さの選択により、ソーラシミュレータのＪＩＳ規格である照度むら５％以内という基準Ｂの範囲に入ることが予想できる。
【００４８】
本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法及びその評価装置は、例えば、次のような用途に使用することができる。
太陽電池の製造に際して、同じロットでの太陽電池セルは同一の絶対分光感度を有すると仮定した場合に、代表的な一つの太陽電池セルを本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法により絶対分光感度測定を行い、さらに、基準太陽光照射時の被測定太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣの計算をする。同一ロットの他の太陽電池セルは、分光分布が既知である光の照射を行うことにより、同一ロット間の絶対分光感度曲線や基準太陽光照射時の被測定太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣのバラツキなどを短時間で推定できる。
本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置においては、ＬＥＤ発光部の各ＬＥＤを電流駆動で制御できるので、ＬＥＤ発光部の照射可能な面積を変えて太陽電池の微小領域毎の絶対分光感度を測定することができる。これにより、太陽電池の不良個所の測定などを短時間で行うことができる。
また、本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置は、小型軽量であるので、屋外の太陽電池の設置場所においても使用できる。これにより、太陽電池発電プラントなどの従来、ソーラシミュレータが使用できなかった設備の現場の保守作業にも容易に使用することができる。
【００４９】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。ＬＥＤの照射により得られた絶対分光感度から絶対分光感度曲線を得るモデル式やフィッティング計算は、被測定太陽電池に応じて、適宜適当なモデル式や収束計算方法を使用できることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、複数の発光波長を有するＬＥＤを太陽電池などに照射することにより、太陽電池の絶対分光感度、絶対分光感度曲線、被測定太陽電池の基準太陽光照射時の出力短絡電流などを短時間で得ることができる。
したがって、本発明を現状の太陽電池の製造後の検査に適用すれば、太陽電池の評価を、短時間で、低コストで実施することが可能である。また、本発明の評価装置は小型軽量であるので、屋外に設置した太陽電池の測定や検査にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において用いる測定系の概略構成を示す図である。
【図２】本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、図１の測定系を用いて太陽電池の絶対分光感度測定と、その測定から絶対分光感度曲線を得るための手順を示すフロー図である。
【図３】本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の図２に示した評価方法において、ステップＳＴ１で、太陽電池に照射するＬＥＤ毎の絶対分光感度を測定するための手順を示すフロー図である。
【図４】結晶Ｓｉを用いた太陽電池の変数（パラメータ）と、値域、単位、分類を示す表である。
【図５】入射フォトン数を決める表面反射率Ｒが太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣに与える影響を示す図である。
【図６】ｎ層における表面再結合速度Ｓ_ｈが太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣに与える影響を示す図である。
【図７】ｐ層における少数キャリア拡散長Ｌ_ｅが太陽電池の出力短絡電流Ｉ_ＳＣに与える影響を示す図である。
【図８】本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、離散的な絶対分光感度から被測定太陽電池の絶対分光感度曲線を求めるフィッティング計算の方法を示すフロー図である。
【図９】本発明のＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法において、太陽電池の絶対分光感度曲線から、基準太陽光照射時の出力短絡電流Ｉ_ＳＣを求める計算のフロー図である。
【図１０】計算に使用したＳｉ結晶による太陽電池の相対分光感度曲線を示す図である。
【図１１】図１１のＳｉ太陽電池のデータから、計算により求めた絶対分光感度曲線を示す図である。
【図１２】計算に使用した結晶系Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）による太陽電池の相対分光感度曲線を示す図である。
【図１３】図１２のｃ−Ｓｉ太陽電池のデータから、計算により求めた絶対分光感度曲線を示す図である。
【図１４】偏微分導関数∂Ｉ_ｈ／∂Ｓ_ｈに対するＳ_ｈと波長との依存性の計算結果を示す図である。
【図１５】偏微分導関数∂Ｉ_ｅ／∂Ｌ_ｅに対するＬ_ｅと波長との依存性の計算結果を示す図である。
【図１６】図１２のｃ−Ｓｉ太陽電池のデータを用いて、波長を最適化した４波長の絶対分光感度の値から、計算により求めた絶対分光感度曲線を示す図である。
【図１７】本発明に係る第２の実施の形態によるＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１８】ＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置における絶対分光感度の測定を行うときの動作を示すタイムチャートである。
【図１９】ＬＥＤを４色使用したときのＬＥＤ発光部のＬＥＤの配置を模式的に示す平面図である。
【図２０】ＬＥＤを６色使用したときのＬＥＤ発光部のＬＥＤの配置を模式的に示す平面図である。
【図２１】ＬＥＤ発光部の外形寸法と一色当たりの使用ＬＥＤ数を示す表である。
【図２２】正方配置におけるＬＥＤ発光部の被測定素子への照度むらを計算した結果を示す図である。
【図２３】六角配置におけるＬＥＤ発光部の被測定素子への照度むらを計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ＬＥＤを用いた太陽電池の評価装置
２ＬＥＤ発光部
２ａブロック
３ＬＥＤ駆動部
４太陽電池
５信号処理部
６出力信号
７短絡電流信号
８インターフェイス回路
９サンプルホルダ
１１ＬＥＤ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating a solar cell using an LED and an apparatus for evaluating the method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art The use of solar energy to protect the global environment is progressing, and the installation of solar panels including solar cell modules having a plurality of solar cells connected to roofs and walls of ordinary buildings and homes is also progressing. However, solar cells made of Si (silicon) or the like have not been widely spread due to high cost. One of the reasons for the high cost of a solar cell is a process of inspecting the output characteristics of the solar cell when irradiating sunlight. The evaluation of the output characteristics of the solar cell is an important measurement item performed in the inspection after manufacturing the solar cell and in the research and development of the solar cell.
It is difficult to irradiate solar cells to the solar cell at any time because the intensity varies due to the weather. Therefore, instead of sunlight, a light source mainly using a Xe (xenon) lamp or a halogen lamp, a so-called solar simulator, is used as a light source for evaluating the output characteristics of a solar cell (see Patent Document 1). Here, the solar simulator suppresses the emission line spectrum of the xenon lamp by adding a halogen lamp as a light source for long wavelengths in addition to the normal xenon lamp, and further approximates natural sunlight by using an optical filter. Light source.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-48704 (page 2-3, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Few solar simulators satisfy Class A in the JIS standard. In many solar cell product inspections, comparative measurement is performed by using a solar cell (primary reference solar cell) that has been primarily calibrated by a Class A solar simulator. It is said that the measurement is equivalent to sunlight irradiation. Actually, since a secondary reference solar cell calibrated by a primary reference solar cell is often used, there is a problem that the measurement error is increased and accurate measurement is difficult.
In addition, the evaluation of the output characteristics of a solar cell using a solar simulator has problems such as a spectrum mismatch with reference sunlight, large-sized equipment, and a short lamp life and large power consumption.
Also, when measuring the absolute spectral sensitivity curve in the wavelength region where the solar cell can receive light, the light of the solar simulator is separated by a spectroscope to obtain the absolute spectral sensitivity for each wavelength in the entire wavelength range of the light receiving range. Measurement is being performed. At this time, since the output of the split wavelength of the solar simulator decreases, the noise is large. Therefore, the output short-circuit current of the solar cell is measured using a lock-in amplifier. For this reason, since the measuring instrument itself for measuring the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell is expensive and the measurement takes time, there is a problem that the cost required for inspection of the solar cell manufacturing cost does not decrease. is there.
[0005]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solar cell evaluation method using a novel LED and an evaluation device thereof, which can easily evaluate the output characteristics of the solar cell.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for evaluating a solar cell using an LED according to the present invention includes irradiating a solar cell with light from a multi-wavelength LED light emitting unit, and irradiating light for each wavelength from the multi-wavelength LED light emitting unit. The absolute spectral sensitivity (A / W) of the solar cell is measured from the intensity (W) and the output short-circuit current (A) of the solar cell for each wavelength.
In the above configuration, modulation can be performed for each color of the non-white LED light of the multi-wavelength LED light emitting unit, and measurement can be performed so as to obtain the output short-circuit current of the solar cell.
Further, the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell may be obtained by performing a fitting calculation of a calculation formula for giving the current of the solar cell from the absolute spectral sensitivity at multiple wavelengths of the solar cell.
The present invention preferably includes the solar cell surface reflectance, surface recombination velocity, and minority carrier diffusion length as parameters for fitting the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell.
The present invention preferably further includes the partial differential derivative of the surface recombination velocity and the minority carrier diffusion length with respect to the output short-circuit current of the solar cell as a parameter for calculating the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell.
Further, a wavelength that greatly affects each of the surface reflectance, the surface recombination velocity, and the diffusion length of minority carriers of the solar cell may be included as multi-wavelength LED light.
In the present invention, preferably, the output short-circuit current at the time of reference sunlight irradiation is calculated from the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell.
In the present invention, preferably, the solar cell is a solar cell using a crystal or an amorphous crystal, and the crystal or the amorphous crystal is made of Si or a compound semiconductor.
[0007]
According to this configuration, the solar cell is irradiated with multi-wavelength LED light, and the solar cell output power (W) for each wavelength of the multi-wavelength LED and the output short-circuit current (A) of the solar cell for each wavelength are determined by the solar cell. The absolute spectral sensitivity (A / W) of the battery can be measured.
In addition, by performing fitting calculation using the absolute spectral sensitivity of the solar cell, an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell can be accurately obtained in a short time.
Further, from the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell, it is possible to calculate the output short-circuit current when irradiating the reference sunlight.
[0008]
The solar cell evaluation device using the LED of the present invention includes a multi-wavelength LED light emitting unit, a driving unit for the multi-wavelength LED light emitting unit, a sample holder for mounting the solar cell, and a solar cell based on the driving current of the LED. And a signal processing unit for measuring the absolute spectral sensitivity from the irradiation intensity (W) of the solar cell and the output short-circuit current (A) of the solar cell.
In the above configuration, the driving unit may be controlled by the signal processing unit so that the output short-circuit current of the solar cell can be measured for each color of the LED light other than white of the multi-wavelength LED light emitting unit. The drive unit can be controlled by a signal processing unit such that a modulation signal is applied to each color of LED light other than white of the multi-wavelength LED light emitting unit.
In the above configuration, the signal processing unit preferably includes a computer, and the computer controls the driving unit of the multi-wavelength LED light emitting unit, while the computer measures the output short-circuit current of the solar cell, and performs absolute spectral sensitivity, Either the absolute spectral sensitivity curve or the output short-circuit current at the time of reference sunlight irradiation is automatically calculated. The multi-wavelength LED light-emitting unit is composed of a block in which LEDs of each color are arranged at each vertex of a regular polygon, and it is sufficient that a plurality of blocks are arranged and configured in a predetermined shape.
[0009]
According to the above configuration, the output short-circuit current of the solar cell is measured by irradiating a plurality of LED lights, and the absolute spectral sensitivity and the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell and the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell can be measured in a short time. it can. This makes it possible to perform various measurements such as the absolute spectral sensitivity of a solar cell, which conventionally took a long time and cost, in a short time and at low cost.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, a method of evaluating a solar cell using an LED according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a measurement system used in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention. As shown in FIG. 1, light irradiation is performed on the solar cell 4 to be measured by the LED light emitting unit 2. Here, the LED light emitting unit 2 has a plurality of wavelengths among the wavelengths included in sunlight, that is, a plurality of LEDs having a plurality of colors, faces the solar cell 4 at a predetermined distance, and has no uneven illuminance. Are arranged as follows. Here, the solar cell 4 may be a solar cell module in which a plurality of unit solar cells are connected.
[0011]
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for measuring an absolute spectral sensitivity of a solar cell using the measurement system of FIG. 1 and obtaining an absolute spectral sensitivity curve from the measurement in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention. FIG.
First, in step ST1, a plurality of LEDs having a plurality of colors are caused to emit light for each color, and the output short-circuit current I _SC (A) is measured. If the illuminance of each LED on the solar cell surface at this time, that is, the irradiation power (W) is measured in advance, the output short-circuit current I of the solar cell _SC The absolute spectral sensitivity (A / W) of each LED color can be obtained from the ratio of the illuminance of each color LED.
Here, since the irradiation light from the LED light emitting unit is irradiation with a discrete bright line spectrum unlike the reference sunlight, a plurality of emission colors of the LED are used to approximate the sunlight. As the emission colors of these LEDs, for example, blue (short wavelength band), red (middle wavelength band), infrared (long wavelength band), and white (wide wavelength band) can be used.
In addition, as described later, the light emission of each color from the LED is modulated for each certain color excluding white, and the other LEDs are made to emit light, that is, by irradiating as a bias light, white light is emitted. The absolute spectral sensitivity of each color except for the above may be measured.
[0012]
Next, in step ST2, an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell is obtained from the value of the absolute spectral sensitivity of each color LED by fitting calculation described later.
Thus, in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention, an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell can be obtained.
[0013]
Next, the measurement of the absolute spectral sensitivity in step ST1 will be described in detail.
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for measuring the absolute spectral sensitivity of each LED irradiating the solar cell in step ST1 in the evaluation method of the solar cell using the LED of the present invention shown in FIG. .
Here, a description will be given assuming that the emission colors of the LEDs are a plurality of n colors including, for example, four colors of infrared, red, blue, and white.
First, in step ST10, all the LEDs of each color of the LED light emitting section emit light, and in step ST11, any one color LED except white is subjected to amplitude modulation (AM modulation), and the output of the solar cell is short-circuited by the modulation signal. Current I _SC (A) is measured. Here, of the light emitted from all the LEDs, the light other than the modulated light is irradiated as bias light to bring the solar cell into an operating state.
Next, in step ST12, the output short-circuit current I of the solar cell with respect to the irradiation power (W) of the LED of any one color other than white to the solar cell. _SC From (A), the absolute spectral sensitivity (A / W) of this irradiation wavelength is calculated.
[0014]
Next, in step ST13, it is determined whether or not all the modulation signals of the (n-1) color other than the emission color white have been measured. If it is determined in step ST13 that the (n-1) color has not been measured, the process returns to step ST11, where the measurement of each color other than white is continued, and the absolute spectral sensitivity of each irradiation wavelength is calculated.
[0015]
On the other hand, when it is determined in step ST13 that all the modulation signals of the (n-1) colors except for white have been measured, the absolute spectral sensitivity measurement of each color ends in step ST14.
In this way, in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention, a plurality of different colors of LED irradiation, that is, at a plurality of wavelengths, are measured by modulating each color other than white, so that the solar cell is evaluated. Absolute spectral sensitivity can be measured with high sensitivity and high accuracy.
[0016]
Next, a method of obtaining an absolute spectral sensitivity curve based on the discrete absolute spectral sensitivity obtained by the above measurement will be described.
Here, the description is made on the assumption that the measured solar cell has a pin structure and the light receiving surface is an n-layer.
The theoretical formula of the spectral sensitivity of the solar cell was obtained by using a model formula derived from the following equation of the minority carrier continuity of the semiconductor shown in the following formulas (1) to (3) (Makoto Konagai, "Physical Properties of Semiconductor", 1992, Baifukan, pp. 239-241).
(Equation 1)

(Equation 2)

[Equation 3]

(Equation 4)

[0017]
I in equation (1) _h , I of formula (2) _dr , I of formula (3) _e Indicates a hole current in the n-layer, a current in the depletion, and an electron current in the p-layer, respectively. The sum of these equations (1) to (3) is the output short-circuit current I of the solar cell. _SC Equation (4) is obtained.
In the above equation, α is the absorption coefficient, R is the surface reflectance, and L _h , L _e And S _h , S _e And D _h , D _e Are the diffusion length of the minority carrier, the surface recombination velocity, and the diffusion constant of the minority carrier, respectively.
Where the subscript _h When _e Indicates a hole in the n-layer and an electron in the p-layer, respectively. Also, x _j , W, H, and H ′ are the end of the depletion layer, the thickness of the depletion layer, and the dimension of the end of the depletion layer, respectively.
[0018]
FIG. 4 is a table showing variables (parameters), value ranges, units, and classifications of solar cells using crystalline Si. The parameters are classified into groups A and B according to the degree of influence on the spectral sensitivity curve, and the range of values used is a general value of crystalline Si (Semiconductors And Semi-Metals Vol. By HJ Hovell). 11 ", 1975, Academic Press, p. 26).
The parameter A group is a constant relating to the material, and is a value peculiar to the type of the solar cell, and the group B is a variable depending on an individual difference in the same type of cell. In the group A, the absorption coefficient α is a wavelength-dependent value, and indicates that the shorter the wavelength, the easier the absorption.
Also, the number of incident photons I ₀ Since the energy of one photon is represented by E (eV) = 1239.5 / λ (nm), it can be seen that the energy of the photon decreases as the wavelength increases. These two parameters are wavelength-dependent functions and are the parts that characterize the spectral sensitivity waveform.
[0019]
As parameters B, the surface reflectance R which determines the number of incident photons, and the surface recombination speed S in the n-layer _h And the minority carrier diffusion length L in the p-layer _e Is the output short-circuit current I _SC 5 to 7 are shown in FIG. The vertical axis in the figure is the absolute spectral sensitivity, and the horizontal axis is the wavelength, and this data shows the absolute spectral sensitivity curve. As indicated by arrows in the drawing, each variable, that is, a parameter has a wavelength band with a high dependency.
Here, as shown in FIGS. 5 to 7, the output short-circuit current I on the short wavelength side and the long wavelength side of the solar cell is shown. _SC Is the surface recombination velocity S of each solar cell _h And minority carrier diffusion length L _e Greatly depends on Since the entire absolute spectral sensitivity curve depends on the surface reflectance R of the solar cell, the dependence may be examined using a wavelength band that is the center of the spectral sensitivity. At this time, the emission colors of the LED suitable for the short wavelength, the long wavelength, and the wavelength at the center of the spectral sensitivity can be purple to blue, infrared, and red, respectively. White light can be used as bias light.
From this, in the above equation (1), the surface recombination velocity S _h In the above equation (3), the minority carrier diffusion length L _e Is used as a parameter, R is also used to perform fitting so as to match the absolute spectral sensitivity obtained from the actual measurement, and the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve can be performed.
[0020]
FIG. 8 is a flowchart showing a fitting calculation method for obtaining an absolute spectral sensitivity curve of a solar cell from discrete absolute spectral sensitivities in a solar cell evaluation method using LEDs.
First, in step ST20, R, S _h , L _e Input an ideal parameter as an initial value of and calculate an ideal absolute spectral sensitivity curve. Here, since the entire absolute spectral sensitivity curve depends on the surface reflectance R of the solar cell, the dependence may be calculated using a wavelength band which is the center of the spectral sensitivity.
Next, in step ST21, it is determined whether or not this ideal absolute spectral sensitivity curve falls within an error within an allowable range by comparing with the discrete absolute spectral sensitivity obtained by the measurement. Then, in step ST21, when it is determined that the obtained absolute spectral sensitivity curve is not appropriate, the process returns to step ST20 and the calculation is performed again. At this time, among the parameters in FIG. 3, A may be reviewed.
[0021]
On the other hand, when it is determined in step S21 that the initial calculation is appropriate, the process proceeds to step ST22. Here, the surface recombination speed S of the measured solar cell is _h The fitting calculation is performed by the least-squares method using the data of the absolute spectral sensitivity using the LED of the solar cell at the measurement wavelength including the short wavelength side which affects the wavelength. Thereby, S _h Approximate value of R and R modified from the initial value _, Le is obtained.
[0022]
Next, in step ST23, the diffusion length L of the minority carrier of the measured solar cell. _e The fitting calculation is performed by the least-squares method using the data of the absolute spectral sensitivity using the LED of the solar cell at the measurement wavelength including the long wavelength side which influences on the wavelength. Thus, L _e Approximate value of R and R modified from the initial value _, S _h Is obtained.
In the above steps ST22 and ST23, R modified from the initial value _, S _h , L _e Then, a rough absolute spectral sensitivity curve can be obtained.
[0023]
Next, in step ST24, the R and S obtained in ST22 and ST23 are determined. _h , L _e Is used to determine the optimum value by the nonlinear least squares method, and the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve is performed. At this time, the calculation in the nonlinear least squares method is particularly S _h Changes exponentially, so that the convergence tends to deteriorate. For this reason, I in Equations (1) and (3) _h And L _e Partial derivative with respect to (∂I _h / ∂S _h , ∂I _e / ∂L _e ), The fitting calculation can be performed with good convergence. Note that R is a proportional coefficient in the photocurrent equation of Equations (1) to (3), and the partial derivative is 1, so that the fitting calculation using the partial derivative can be omitted. .
[0024]
Subsequently, in step ST25, it is determined whether or not the obtained absolute spectral sensitivity curve is appropriate. If it is determined in step ST25 that the obtained absolute spectral sensitivity curve is not appropriate, the process returns to step ST22, and the calculation is performed again.
[0025]
On the other hand, when it is determined in step S25 that the fitting calculation is appropriate, the absolute spectral sensitivity curve of the measured solar cell is obtained in step ST26. In the determination of the fitting calculation, an absolute spectral sensitivity curve of the measured solar cell separately measured by an absolute spectral sensitivity curve measuring device using a sunlight simulator can be used as calibration data.
[0026]
Thus, in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention, a model formula of a photocurrent is obtained by using a plurality of different colors of LED irradiation, that is, a measured value of the absolute spectral sensitivity of the solar cell at a plurality of wavelengths. By performing the fitting calculation, the absolute spectral sensitivity curve of the measured solar cell can be obtained.
Although the photocurrent of the solar cell has been described using the Si pin structure, the fitting for obtaining the absolute spectral sensitivity curve using an appropriate model formula is also applicable to a solar cell using another compound semiconductor or a solar cell having another structure. Calculations can be made. Parameters for performing fitting calculation are R, S _h , L _e Is shown, but S _e And L _p May be added.
[0027]
Next, based on the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell, the output short-circuit current _SC A calculation method for obtaining the following will be described.
FIG. 9 shows an output short-circuit current I at the time of reference sunlight irradiation from an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention. _SC It is a flowchart of calculation which calculates | requires. In the figure, in the same manner as described with reference to FIG. 8, in steps ST20 to ST24, a calculation for obtaining the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell is performed. _SC Enter whether or not to perform calculation.
Then, in step ST30, the output short-circuit current I at the time of reference sunlight irradiation is obtained. _SC If the calculation is not performed, the process ends in step ST25. On the other hand, in step S30, the output short-circuit current I _SC Is calculated, the output short-circuit current I when the measured solar cell is irradiated with the reference sunlight is input in step ST31. _SC Is calculated.
[0028]
At this time, the output short-circuit current I when the measured solar cell irradiates the reference sunlight _SC Is obtained by integrating the product of the absolute spectral sensitivity curve of the measured solar cell and the reference solar spectral radiation intensity curve in the wavelength region, as shown in the following equation (5).
(Equation 5)

Here, Q (λ) (A / Wnm), E _Ref (Λ) (W / m ² nm), λ (nm), A (m ² ) Are the absolute spectral sensitivity curve of the measured solar cell, the reference solar spectral radiation intensity curve, the wavelength, and the area of the measured solar cell, respectively.
In this way, in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention, an absolute spectral sensitivity curve is obtained from a plurality of different colors of LED irradiation, that is, the absolute spectral sensitivity of the solar cell measured at a plurality of wavelengths, Output short-circuit current I of the measured solar cell during standard sunlight irradiation _SC Can be calculated in a short time.
[0029]
Next, an example of calculating an absolute spectral sensitivity curve by the above-described method of evaluating a solar cell using the LED of the present invention will be described.
(Calculation example 1)
FIG. 10 is a relative spectral sensitivity curve of a solar cell made of a Si crystal (c-Si) used in the calculation. In the figure, the vertical axis represents the relative spectral sensitivity, and the horizontal axis represents the wavelength (nm). As shown, the spectral sensitivity was measured at a plurality of wavelengths from 400 nm to 1100 nm. When calculating, the relative spectral sensitivity curves were converted to absolute spectral sensitivity curves.
[0030]
FIG. 11 is an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the data of the Si solar cell of FIG. In the figure, the vertical axis is the absolute spectral sensitivity (A / W), and the horizontal axis is the wavelength (nm). Assuming that the absolute spectral sensitivity of the LED was measured with blue (460 nm), green (570 nm), and two wavelengths of infrared light (800 nm and 1000 nm) (+ mark in the figure), the absolute spectral sensitivity curve was obtained from the absolute spectral sensitivity at these four points. It is the result of performing the fitting calculation of (bold line part).
Thus, it can be seen that the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve can be performed with higher accuracy than the absolute spectral sensitivity of four wavelengths.
[0031]
(Calculation example 2)
FIG. 12 is a relative spectral sensitivity curve of a solar cell made of crystalline Si (c-Si) used for calculation. In the figure, the left vertical axis indicates relative spectral sensitivity, and the horizontal axis indicates wavelength (nm). When calculating, the relative spectral sensitivity curves were converted to absolute spectral sensitivity curves.
FIG. 13 is an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the data of the a-Si solar cell of FIG. In the figure, the vertical axis represents the absolute spectral sensitivity (A / W), and the horizontal axis represents the wavelength (nm). This is a result of fitting calculation of an absolute spectral sensitivity curve (thick line portion) from the absolute spectral sensitivities at these four wavelengths, assuming that the absolute spectral sensitivity of the LED was measured at the same wavelength as in FIG. 11 (+ mark in the figure).
Thus, it can be seen that the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve can be performed with higher accuracy than the absolute spectral sensitivity of four wavelengths.
[0032]
(Calculation example 3)
Next, a calculation result in consideration of the influence of the emission wavelength of the LED will be described.
Output short-circuit current I of the measured solar cell _SC When the absolute spectral sensitivity curve is calculated by fitting the partial differential derivative (∂I _h / ∂S _h , ∂I _e / ∂L _e ), The convergence of the calculation becomes faster. At this time, these partial derivatives further vary greatly depending on the irradiation wavelength.
14 and 15 respectively show the partial derivative ∂I _h / ∂S _h And ∂I _e / ∂L _e Their size S _h And L _e FIG. 6 is a diagram illustrating calculated wavelength dependence. As shown in FIG. _h / ∂S _h Becomes larger near the wavelength λ = 350 nm. From this, the output short-circuit current I of the solar cell _SC It can be seen that it is preferable to use an LED having a wavelength near 350 nm as the wavelength on the short wavelength side where the influence of the surface recombination speed is large in the above. Also, as shown in FIG. _h / ∂L _e Becomes larger near the wavelength λ = 800 nm. From this, the output short-circuit current I of the solar cell _SC It can be seen that it is preferable to use an LED having a wavelength near 800 nm as the wavelength on the long wavelength side where the influence of the minority carrier diffusion length is large.
[0033]
Due to the above-described wavelength dependence, relative spectroscopy of the c-Si solar cell of FIG. 12 is performed using four wavelengths of 350 nm (purple), 460 nm (blue), 640 nm (orange), and 800 nm (infrared) as the wavelength of the LED. A fitting calculation for obtaining an absolute spectral sensitivity curve was performed from the sensitivity curve data.
FIG. 16 is a graph of an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the values of the absolute spectral sensitivities of four wavelengths whose wavelengths have been optimized using the data of the c-Si solar cell of FIG. In the figure, the vertical axis is the absolute spectral sensitivity (A / W), and the horizontal axis is the wavelength (nm).
This is a result of fitting calculation of an absolute spectral sensitivity curve (thick line portion) from the absolute spectral sensitivities at these four wavelengths, assuming that the absolute spectral sensitivities of the LEDs were measured at the above wavelengths (+ symbols in the figure). From the figure, it can be seen that the measured values and the fitting calculations are well matched.
Thus, the output short-circuit current I of the Si solar cell _SC L to _e And S _h At wavelengths on the long wavelength side and the short wavelength side where the influence of _h / ∂S _h And ∂I _e / ∂L _e If the absolute spectral sensitivity is obtained at multiple wavelengths including at least the wavelength at which becomes larger, the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve can be obtained with even better convergence.
[0034]
Next, a second embodiment of the solar cell evaluation device using the LED of the present invention will be described.
FIG. 17 is a block diagram schematically showing a configuration of a solar cell evaluation device using LEDs according to the second embodiment of the present invention. The solar cell evaluation device 1 using an LED includes an LED light emitting unit 2, an LED driving unit 3, a sample holder 9 on which a solar cell 4 to be measured is placed, and a signal processing unit 5. The LED light emitting unit 2 includes a plurality of LEDs having a plurality of wavelengths among the wavelengths included in sunlight, that is, a plurality of LEDs having a plurality of colors, and is arranged to face the measured solar cell 4 at a predetermined distance. .
[0035]
The LED driving unit 3 is controlled by the signal processing unit 5 to supply a voltage and a current necessary for light emission to the LED of each color of the LED light emitting unit 2 and superimpose and apply a modulation signal as needed. Here, the voltage and current supplied to the LED (hereinafter, simply referred to as drive current) may be DC or pulse. As a modulation method, AM modulation, pulse modulation, or the like can be used. The LED driving unit 3 outputs a driving current of the LED for each color of the LED light emitting unit 2 to the signal processing unit 5 as an output signal 6. Here, the relationship between the driving current of the LED for each color of the LED light emitting unit 2 and the irradiation power (W) to the measured solar cell 4, ie, the so-called IL characteristic, is measured in advance, so that the driving current of the LED is measured. From the value, the irradiation power to the solar cell can be determined.
[0036]
When the LED light is irradiated from the LED light emitting unit 2 to the measured solar cell 4, the short-circuit current I is applied to the measured solar cell 4. _SC Is generated and output as a short-circuit current signal 7 to the computer for the evaluation device.
[0037]
The signal processing unit 5 demodulates a direct current or a modulation signal from a computer such as a personal computer, an output signal 6 from the LED driving unit 3 and a short-circuit current signal 7 generated in the measured solar cell 4 and converts the signal into a current value. It is composed of an interface circuit 8 and the like.
[0038]
FIG. 18 is a time chart showing an operation when measuring the absolute spectral sensitivity in the solar cell evaluation device 1. The time chart of FIG. 18 is a case where the LED light emitting unit described in FIG. 17 is composed of four colors including white. The horizontal axis is the time axis t, and the vertical axis is the drive current of each color LED of the LED light emitting unit and the output short-circuit current of the measured solar cell. FIGS. 18A to 18D show driving currents of the LEDs 1 to 4, and the LED 4 is white. (E) is the output short-circuit current I of the measured solar cell. _SC It is.
As shown at the time t1 in FIG. 18, AM modulation is applied to the LED 1 shown in FIG. 18A, and the other LEDs 2 to 4 shown in (b) to (c) are driven by DC current. . At this time, the output short-circuit current of the measured solar cell is an output short-circuit current component obtained by demodulating the AM modulation of the LED 1 above the dotted line, and an output short-circuit current component caused by the LEDs 2 to 4 below the dotted line.
As described above, by modulating each color except white of the LED and measuring, it is possible to measure the output short-circuit current of the solar cell with high sensitivity and at high speed.
[0039]
At this time, the signal processing unit 5 calculates the absolute spectral sensitivity of the solar cell at the wavelength of the LED 1 from the driving current and the irradiation power intensity of the LED 1 stored in the memory in advance and the output short-circuit current component of the solar cell by the AM modulation of the LED 1. The calculated values are stored in the memory of the signal processing unit and output to a display device or a printer.
Similarly, after obtaining the absolute spectral sensitivity of the wavelength of LED1, AM modulation is applied to LED2 of (b) at t2 after elapse of time ts, and the other (a), (c), LED1, LED3, and LED4 shown in (d) are driven by a DC current, and the absolute spectral sensitivity of the solar cell at the wavelength of LED2 can be obtained from the output short-circuit current of LED2 at the output short-circuit current of the measured solar cell at that time. Further, at time t3, the absolute spectral sensitivity of the solar cell at the wavelength of LED3 is measured.
[0040]
Next, by executing a program for obtaining an absolute spectral sensitivity curve by the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention in the signal processing unit, the absolute spectral sensitivity obtained by the above measurement is used to obtain the measured solar cell. Is calculated by fitting.
Further, the integral calculation regarding the wavelength of the product of the obtained absolute spectral sensitivity curve and the reference solar irradiance distribution by IEC is executed in the signal processing unit, so that the reference solar radiation of the measured solar cell is obtained. Is calculated. Here, each parameter of the measured solar cell, an absolute spectral sensitivity curve for calibration measured in advance by a solar simulator, and a standard solar irradiance distribution by IEC (IEC904-3). _, The “Measurement principals for terrestrial photovoltaic (PV) Solar devices with reference spectral irradiance data” may be stored in a memory in advance.
[0041]
Next, the LED light emitting section needs to irradiate the measured solar cell with uniform light without uneven illuminance, and the configuration thereof will be described in more detail.
FIG. 19 is a plan view schematically showing the arrangement of the LEDs of the LED light emitting unit when four colors of LEDs are used. In the LED light emitting unit 2 shown in FIG. 19, a plurality of square blocks 2a each having a side indicated by a dotted line in FIG. 19 and having one side L1 are arranged (this arrangement is called a square arrangement). The outer shape of the LED light emitting unit 2 is a square with one side L2. Here,

LEDs

11a, 11b, 11c, and 11d of four colors are arranged at each vertex of the block 2a.
[0042]
FIG. 20 is a plan view schematically showing the arrangement of the LEDs of the LED light emitting unit when six colors of LEDs are used. In the LED light emitting unit 2 shown in FIG. 20, a plurality of regular hexagonal blocks 2b each having a side L3 indicated by a dotted line in the figure are arranged. The outer shape of the LED light emitting unit 2 is a square with one side L4. Here,

LEDs

11e, 11f, 11g, 11h, 11i, and 11j of six colors are arranged at each vertex of the block 2b.
[0043]
In the above example, the case where the LED block is a regular square and a regular hexagon has been described, but the LED block may be a regular polygon in order to make the arrangement of each color uniform. The colors of the LEDs can be infrared, red, orange, yellow, green, blue, purple, white, and the like. At this time, since the LED can be approximated as a point light source, the illuminance on the surface of the measured solar cell changes in inverse proportion to the square of the distance from the LED light emitting unit, and the half-width angle of the light distribution curve (forward) The dimensions L1 to L4 of the LED light emitting unit 2 may be determined in consideration of the light intensity in the direction being an angle at which the power becomes half of the power of the central axis. For example, a LED having a relatively wide angle giving a half width and a wide directivity angle may be used as the LED. By arranging in this way, the number of LEDs of each color is the same and arranged at equal intervals, so that the intensity of light irradiated on the measured solar cell can be made uniform.
[0044]
FIGS. 21 to 23 are tables and diagrams showing the results of calculating the illuminance unevenness on the measured solar cell by the LED light emitting units in FIGS. 19 and 20.
FIG. 21 is a table showing the outer dimensions of the LED light emitting unit 2 and the number of LEDs used per color. As shown in FIG. 21, when one side of the square of the outer shape of the LED light emitting unit 2 is changed from 130 mm to 170 mm at intervals of 10 mm, the number of LEDs used per color in the square arrangement is 289 to 484. The number of LEDs used per color in the hexagonal arrangement is 133 to 243. Here, the arrangement intervals L1 and L3 of the LEDs are 4 mm.
[0045]
FIG. 22 and FIG. 23 are diagrams showing the results of calculating the illuminance non-uniformity of the LED light emitting unit to the element to be measured in the square arrangement and the hexagonal arrangement, respectively. In the figure, the vertical axis represents uneven illuminance (%), and the horizontal axis represents the distance between the LED light emitting unit and the device to be measured, that is, the irradiation height (mm). Here, irradiation unevenness was calculated by approximating the LED with a point light source, the illuminance was inversely proportional to the square of the distance from the point light source, and the directional angle was 120 °. The irradiation area on the device to be measured was 100 mm × 100 mm.
In the case of the square arrangement shown in FIG. 22, the illuminance unevenness decreases as the irradiation height increases from 11 mm to 17 mm and the area of the LED light emitting unit increases from 150 mm × 150 mm to 170 mm × 170 mm. Further, the irradiation height at which the minimum value of the illuminance unevenness is obtained varies depending on the area of the LED light emitting unit. When the area of the LED light emitting unit is 160 mm × 160 mm and 170 mm × 170 mm, the illuminance unevenness is 5% or less.
[0046]
In the case of the hexagonal arrangement shown in FIG. 23, the illuminance unevenness decreases as the area of the LED light emitting unit increases from 150 mm × 150 mm to 170 mm × 170 mm. It turns out that it becomes 8 mm-12 mm lower than the square arrangement shown. It can be seen that when the area of the LED light emitting unit is 150 mm × 150 mm and 160 mm × 160 mm, the illuminance unevenness is 5% or less.
[0047]
The irradiation intensity of the above LED light emitting unit is about 10 mW / cm in continuous operation. ² About 100mW / cm in pulse operation ² It is. As described above, the LED illuminating unit is capable of illuminating unevenness within 5%, which is the JIS standard of the solar simulator, by selecting an appropriate area and illuminating height of the LED illuminating unit with respect to the area illuminated on the device under test. Can be expected.
[0048]
The solar cell evaluation method and the evaluation apparatus using the LED of the present invention can be used for, for example, the following applications.
When assuming that solar cells in the same lot have the same absolute spectral sensitivity in manufacturing solar cells, one representative solar cell is absolutely evaluated by the solar cell evaluation method using the LED of the present invention. The spectral sensitivity is measured, and the output short-circuit current I _SC Is calculated. The other solar cells in the same lot irradiate light having a known spectral distribution to obtain an absolute spectral sensitivity curve between the same lots and the output short-circuit current I of the measured solar cell at the time of reference sunlight irradiation. _SC Can be estimated in a short time.
In the solar cell evaluation apparatus using the LED of the present invention, since each LED of the LED light emitting unit can be controlled by current drive, the absolute irradiance of the solar cell can be changed by changing the irradiable area of the LED light emitting unit. Can be measured. This makes it possible to measure a defective portion of the solar cell in a short time.
In addition, since the solar cell evaluation device using the LED of the present invention is small and lightweight, it can be used in outdoor solar cell installation locations. As a result, it can be easily used for on-site maintenance work of facilities where a solar simulator could not be used conventionally, such as a solar cell power plant.
[0049]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that they are also included in the scope of the present invention. It goes without saying that a model formula and a fitting calculation for obtaining an absolute spectral sensitivity curve from the absolute spectral sensitivity obtained by irradiation of the LED can use an appropriate model formula and a convergence calculation method as appropriate according to the measured solar cell.
[0050]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, according to the present invention, by irradiating an LED having a plurality of emission wavelengths to a solar cell or the like, the absolute spectral sensitivity of the solar cell, the absolute spectral sensitivity curve, It is possible to obtain an output short-circuit current or the like upon irradiation with sunlight in a short time.
Therefore, if the present invention is applied to the inspection after manufacturing the current solar cell, the evaluation of the solar cell can be performed in a short time and at low cost. Further, since the evaluation device of the present invention is small and lightweight, it can be used for measurement and inspection of a solar cell installed outdoors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a measurement system used in a solar cell evaluation method using an LED of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for measuring an absolute spectral sensitivity of a solar cell using the measurement system of FIG. 1 and obtaining an absolute spectral sensitivity curve from the measurement in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for measuring the absolute spectral sensitivity of each LED irradiating the solar cell in step ST1, in the evaluation method shown in FIG. 2 of the solar cell using the LED of the present invention. .
FIG. 4 is a table showing variables (parameters), a value range, a unit, and a classification of a solar cell using crystalline Si.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the surface reflectance R for determining the number of incident photons and the output short-circuit current I of the solar cell _SC FIG.
FIG. 6 shows the surface recombination velocity S in the n-layer. _h Is the output short-circuit current I of the solar cell _SC FIG.
FIG. 7 shows a minority carrier diffusion length L in a p-layer. _e Is the output short-circuit current I of the solar cell _SC FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing a fitting calculation method for obtaining an absolute spectral sensitivity curve of a measured solar cell from discrete absolute spectral sensitivities in the solar cell evaluation method using the LED of the present invention.
FIG. 9 shows an output short-circuit current I at the time of irradiation with reference sunlight from an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell in the method for evaluating a solar cell using the LED of the present invention. _SC It is a flowchart of calculation which calculates | requires.
FIG. 10 is a diagram showing a relative spectral sensitivity curve of a solar cell using a Si crystal used for calculation.
11 is a diagram showing an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the data of the Si solar cell of FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a relative spectral sensitivity curve of a solar cell using crystalline Si (c-Si) used for calculation.
13 is a diagram showing an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the data of the c-Si solar cell of FIG.
FIG. 14. Partial differential derivative ∂I _h / ∂S _h S for _h FIG. 9 is a diagram showing a calculation result of the dependence between the wavelength and the wavelength.
FIG. 15: partial differential derivative ∂I _e / ∂L _e L for _e FIG. 9 is a diagram showing a calculation result of the dependence between the wavelength and the wavelength.
FIG. 16 is a diagram showing an absolute spectral sensitivity curve obtained by calculation from the values of the absolute spectral sensitivities of four wavelengths whose wavelengths have been optimized using the data of the c-Si solar cell of FIG.
FIG. 17 is a block diagram schematically showing a configuration of a solar cell evaluation device using LEDs according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a time chart showing an operation when measuring absolute spectral sensitivity in a solar cell evaluation device using LEDs.
FIG. 19 is a plan view schematically showing the arrangement of LEDs of an LED light emitting unit when four colors of LEDs are used.
FIG. 20 is a plan view schematically showing the arrangement of LEDs in an LED light emitting unit when six colors of LEDs are used.
FIG. 21 is a table showing outer dimensions of LED light emitting units and the number of LEDs used per color.
FIG. 22 is a diagram illustrating a calculation result of uneven illuminance of the LED light-emitting unit on the device to be measured in the square arrangement.
FIG. 23 is a diagram illustrating a calculation result of illuminance unevenness of the LED light-emitting unit on the device to be measured in the hexagonal arrangement.
[Explanation of symbols]
1 Solar cell evaluation device using LED
2 LED light emitting section
2a block
3 LED driver
4 Solar cells
5 Signal processing unit
6 Output signal
7 Short circuit current signal
8 Interface circuit
9 Sample holder
11 LED

Claims

The solar cell is irradiated with light from the multi-wavelength LED light-emitting unit, and the irradiation light intensity (W) for each wavelength from the multi-wavelength LED light-emitting unit and the output short-circuit current (A) of the solar cell for each wavelength. And measuring the absolute spectral sensitivity (A / W) of the solar cell.

The LED according to claim 1, wherein the multi-wavelength LED light-emitting unit modulates each color of non-white LED light for each color, and measures so as to obtain an output short-circuit current of the solar cell. Evaluation method of the solar cell used.

The absolute spectral sensitivity curve of the solar cell is obtained by performing a fitting calculation of a calculation formula for giving a current of the solar cell from the absolute spectral sensitivity at multiple wavelengths of the solar cell. A method for evaluating a solar cell using the LED described in 1.

4. The LED according to claim 3, wherein the parameters of the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell include a surface reflectance, a surface recombination velocity, and a diffusion length of minority carriers of the solar cell. How to evaluate solar cells.

The parameter of the fitting calculation of the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell further includes a partial differential derivative of a surface recombination velocity and a minority carrier diffusion length with respect to an output short-circuit current of the solar cell. 5. A method for evaluating a solar cell using the LED according to 4.

6. The multi-wavelength LED light according to claim 4, wherein a wavelength having a large effect on each of the surface reflectance, the surface recombination velocity, and the diffusion length of the minority carrier of the solar cell is included. Evaluation method of solar cell using LED.

The method for evaluating a solar cell using an LED according to claim 3, wherein an output short-circuit current at the time of irradiating reference sunlight is calculated from an absolute spectral sensitivity curve of the solar cell.

The method for evaluating a solar cell using LEDs according to any one of claims 1 to 7, wherein the solar cell is a solar cell using a crystal or an amorphous crystal.

The method for evaluating a solar cell using LEDs according to claim 8, wherein the crystal or the amorphous crystal is made of Si or a compound semiconductor.

An evaluation device for a solar cell,
A multi-wavelength LED light emitting unit,
A driving unit of the multi-wavelength LED light emitting unit,
A sample holder for mounting the solar cell,
A signal processing unit for measuring an absolute spectral sensitivity from an irradiation intensity (W) to the solar cell from the driving current of the LED and an output short-circuit current (A) of the solar cell;
An evaluation device for a solar cell using an LED, comprising:

The driving unit is controlled by the signal processing unit such that an output short-circuit current of the solar cell can be measured for each color of LED light other than white of the multi-wavelength LED light emitting unit. Item 11. A solar cell evaluation device using the LED according to item 10.

The said drive part is controlled by the said signal processing part so that a modulation signal may be applied for every color of LED light other than white of the said multi-wavelength LED light emission part, The said 10 or 11 characterized by the above-mentioned. An evaluation device for a solar cell using the LED described in 1.

The signal processing unit includes a computer,
While the computer controls the driving unit of the multi-wavelength LED light emitting unit,
The computer measures an output short-circuit current of the solar cell,
The solar cell using the LED according to claim 10, wherein any one of an absolute spectral sensitivity, an absolute spectral sensitivity curve, and an output short-circuit current at the time of reference sunlight irradiation is automatically calculated. Evaluation device.

The multi-wavelength LED light-emitting unit includes a block in which LEDs of each color are arranged at each vertex of a regular polygon, and a plurality of the blocks are arranged to have a predetermined shape. Item 14. An evaluation device for a solar cell using the LED according to any one of Items 10 to 13.